1. Теоретическая часть
1.1Описание устройства для обработки биологических тканей
На рис. 1 изображено устройство в собранном виде безрабочего инструмента. Устройство содержит: инструментальный фиксатор 1 сприжимными винтами 2, герметизирующую трубку гофр 3, соединяющуюинструментальный фиксатор 1 и корпус прибора, подшипники скольжения 4, наковальню5, установленную на штоке 6, соединенным с инструментальным фиксатором 1. Поднаковальней расположена амортизирующая пружина 7, исключающая передачу удара накорпус прибора в конце рабочего хода наковальни 5, наковальня распертаотносительно корпуса распорной пружиной 8, жесткость пружины выбирается равной жесткостиконтакта «инструмент-ткань», боек 9 жестко связанный с сердечником 10, установленнымв подшипники скольжения 11, части магнитопровода 12, стальной трубчатый корпус13, намагничивающую катушку 14, возвратную пружину 15, жесткость пружины 15выбирается из условия возврата сердечника с бойком в исходное положение имаксимальной частоты колебаний, герметизирующую втулку 16, питающий кабель 17, связывающийнамагничивающую катушку с блоком питания, крышку 18, фланец выполненный изнемагнитного материала (алюминия) 20.
/>
Устройство работает следующим образом: Трепанатор и сменныерабочие инструменты (долота, держатели штифтов) дезинфицируют в спецрастворах исухожаровом шкафу. Хирург кнопками блока питания устанавливает нужную частоту исилу ударов, закрепляет в инструментальном фиксаторе 1 требуемый инструмент спомощью прижимных винтов 2. При нажатии на педаль управления на катушку ЛЕМД 14с блока питания через питающий кабель 17 начинают поступать прямоугольныеимпульсы с заданной частотой и амплитудой. Под действием импульса сердечник 10втягивается в магнитопровод, состоящий из частей 12,13, т.е. разгоняется втечение рабочего хода, затем ударяет бойком 9 по наковальне 5, передаваяимпульс удара на режущую кромку долота и перемещая наковальню 5 синструментальным фиксатором 1 на минимальную величину рабочего хода, после чегосердечник 10 с бойком 9 возвращается в исходное положение возвратной пружиной15, далее рабочий цикл повторяется. Подшипники скольжения 11, обеспечиваютвозможность перемещения сердечника 10 с бойком 9 относительно корпуса в осевомнаправлении. Подшипники скольжения 4 позволяют перемещаться штоку 6 снаковальней 5 в осевом направлении, винт 19 выполняет функцию направляющегоштифта и исключает возможность проворота наковальни 5 с инструментальнымфиксатором 1 в радиальном направлении. Трубка гофр 3 герметизирует подвижное соединение«корпус – инструментальный фиксатор». Герметизирующая втулка 16 обеспечиваетгерметичность соединения питающего кабеля 17 с крышкой корпуса 18.
Принеобходимости более быстрого удаления костного материала, хирург нажимает накорпус прибора, т.е. прикладывает большее усилие вдоль оси долота, поддействием этого усилия наковальня 5 с долотом отводится на большую величинурабочего хода, преодолевая сопротивление распорной пружины 8, и при следующемударе бойка возвращается в исходное положение, т.е. амплитуда колебаний долотавозрастает. Это совместно с увеличением усилия резания позволяет повысить производительностьоперации при удалении сравнительно больших объемов кости.
При соскальзывании долота с кости в мягкие ткани, амплитудаколебаний немедленно уменьшается до несущественной величины, так как осевоеусилие в этом случае минимально, а энергия удара гасится амортизирующей пружиной7. Это снижает травматизм при операции.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет оптимизироватьпроцесс операции. Это соответствует развитию прогрессивных щадящих принциповоперационного вмешательства, особенно важных, например, при выполнении операцийна среднем ухе, в условиях глубоких и узких полостей. При этих операцияхнеобходимо точно дозировать силу удара, чтобы избежать повреждений.
1.2 Выводуравнения динамики линейного электромагнитного двигателя
Расчет динамических характеристик линейных электромагнитных двигателей(ЛЭМД) представляет сложную задачу, так как требует учета таких факторов, какнасыщение стали, вихревые токи, паразитные зазоры, противодействующие силы.
К динамическим характеристикам относятся: зависимость от времени токаобмотки, потокосцепление, индукции в сердечнике якоря, тяговое усилие, величиныхода якоря, скорости и ускорение его движения. В общем случае процессы,протекающие в ЛЭМД, описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений:
1. Дляэлектрической цепи:
Е=i·R+dYa/dta, (1.3.1)
где: E – ЭДС источника питания;
R – сопротивление обмотки;
i – ток;
Y – потокосцепление;
t – время.
Уравнениемеханического равновесия: />
где ha- глубинавнедрения якоря в обмотку;
Fea – тяговое усилие ЛЭМД;
Fna – сила возвратной пружины;
Fta – сила трения, знак которойзависит от направления движения якоря;
ma – масса подвижных частей,
/>
где /> масса якоря;
/>подвижная массаоснастки;
g – ускорение силы тяжести;
a – угол наклона оситрепанатора;
Fpga – внешняя противодействующая сила.
Эти уравнения записаны в абсолютных величинах. Преобразуем уравнения(1.3.1) и (1.3.2), записав их в виде функций относительных геометрическихразмеров и параметром ЛЭМД. По определению, удельная магнито-движущая силаобмотки:
/>,
ток, протекающий в обмотке:
/>.
Сопротивление обмотки:
R=r*lnp*Spr,
где lnpи Spr-длина и сечение провода;
r – удельное сопротивлениепровода обмотки.
/>,
где r0 –удельное сопротивление при 00С;
ar – температурныйкоэффициент сопротивления;
Θос – температура окружающей среды;
/> – превышениетемпературы обмотки над Θос..
Длина провода определяется по формуле:
/>.
Сечение провода:
/>,
где kz – коэффициентзаполнения обмотки;
r1а – внутренний радиусобмотки;
r2а – наружный радиус обмотки.
Следовательно, формула для Rзаписывается:
/>,
Ускорение движения якоря, запишем как вторую производную ототносительной глубины внедрения якоря в обмотку (ha).
/>/>
где t, tb– относительное и базисноезначение времени,
h – относительная глубина внедрения якоря в обмотку.
Масса подвижных частей ЛЭМД:
/>/>
где lb-приведенная длина якоря в относительных величинах;
g – плотностьматериала якоря.
Силу трения, возникающую между направляющим стержнем и фланцем, вследствие одностороннего магнитного притяжения якоря к магнитным частям ЛЭМД,величина которого зависит от величины зазора между направляющим стержнем якоря,стопором и фланцем определяется по формуле [2]:
/>,
где Ктр – коэффициент трения;
/> — величинаэксцентриситета якоря;
Вс – величина магнитной индукции;
rс – радиус стержня;
hp – толщина фланца;
l1 – высота стола;
Δ – величинанерабочего зазора;
Fb – базисная сила, котораяопределяется по формуле:
/>/>,
Сила возвратной пружины:
/>,
где кnp – коэффициентжесткости пружины;
h0a –начальная глубина внедрения якоря в обмотку;
F0a –сила начального сжатия.
Начальное сжатие обусловлено массой подвижных частей, следовательно:
/>,
/>,
Учитывая базисное значение или Fb, вобобщенной форме получим:
/>,
Внешняя противодействующая сила:
/>,
Подставляя полученные формулы в уравнение (1.3.1) и (1.3.2), получимсистему нелинейных дифференциальных уравнений третьего порядка относительнофункций В, h, dh/dt, для ЛЭМД в обобщенной форме, которые позволяют определитьлюбые динамические параметры ЛЭМД.
/>/>E¢=p1* f+p2*(dy/dt),/>
/>,
где />/>p1=/>,
p2=/>, где Fcи f – статические функции.